弯矩-旋转关系的实验与数值研究焊接端板管状连接外文翻译资料

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弯矩-旋转关系的实验与数值研究焊接端板管状连接

Deniz Bayraktar a, Zeki Ay b , Ilyas Devran Celik b

a 土耳其安塔利亚省环境与城市化局

b 土耳其伊斯巴达苏莱曼·德米雷尔大学土木工程系

【摘要】钢结构的延性行为取决于钢材料的力学性能，钢结构的设计使得塑性变形发生在梁上面，特别是发生在循环载荷作用下的梁柱连接。土耳其发生地震时所记录的相关资料只提供了关于抗力矩梁柱连接的详细信息，却没有关于箱形或圆形空心截面组成的梁柱连接的详细信息，这就是由箱形截面和圆形空心截面组成的结构体系的延性等级存在不确定性的原因。本次研究的目的就是为了防止在弯曲的情况下，圆孔截面的焊接接头产生局部屈曲效应。在这个背景下，通过数值和实验研究了板的覆盖面积对性能和承载力的影响，通过实验分析得出的结果与ANSYS软件计算结果是相吻合的。

【关键词】中空部分 焊接连接 重要框架 弯矩 韧性状况

1.介绍

钢结构设计中最重要的两个特点是循环载荷作用下的延性和吸收能量的能力，在延性结构中，塑性铰点在发生倒塌前吸收地震产生的能量。钢有着变形大且不断裂、强度高的特点，这种特点使其成为抗震的理想材料。在1994年美国洛杉矶北岭和1995年日本神户兵库县发生了两次地震，这两次地震改变了钢结构体系在地震作用中的结构性能。虽然在这两次地震中，所有的钢结构建筑都没有发生完全的倒塌，但是在梁柱连接处观察到脆性断裂和裂缝。尽管钢结构具有很高的延展性，但是它的性能仍然很差，这说明目前我们对这些框架系统的认识还不够。在这一经历之后，我们要对可以抵抗弯矩框架系统的连接进行详细研究，因此，我们在许多连接类型上，对其刚度、强度和延性方面进行了调查和检验，这些调查已被纳入联邦应急管理局的报告，并让许多国家根据自身的条件来审查抗震结构设计标准，并在这方面更新其规范。

文献中的许多例子表明：圆形空心截面在压缩、拉伸、弯曲和扭转作用下具有显著的性能特征，特别是在沿海的结构中，圆形空心截面是抗风、抗水、抗波荷载的最佳截面形式。除此之外，圆形的空心部分不仅拥有这些特点，并且它的形状在建筑中是非常具有吸引力的，因此，它被广泛应用于建筑物、厅堂、桥梁、栅栏、桅杆、高塔、海上等，也被用于其他的特殊用途，如玻璃房子、射电望远镜、标志架、栏杆、起重机、跳架、雕塑等[1]。

设计师必须了解连接接头的原理，并了解某些参数对连接接头的影响，这样才能利用圆形空心截面做出好的设计。在此背景下，在已经出版的设计指南第一版的研究成果[1,2]的基础上，进行进一步的分析，对2008年IIW国际会议建议中的设计公式进行了重新编排。然而，这些编排还没有被纳入各种国际标准，如欧洲的标准。[3]

Lee和Parry[4]研究了在弯曲和轴向荷载作用下，防止海洋结构中常用的圆形空心截面柱和梁发生变形的加固方法。研究人员观察到将加劲板放置在梁和柱上的连接和支撑处对节点的抗震性能有积极的影响。Mashiri和Zhao[5]对圆形和矩形空心截面的焊接t形接头进行了试验研究，利用研究得到的屈服曲线设计了数值模型。王、陈[6]研究了圆形空心截面t型接头在循环轴向载荷和循环平面内弯曲作用下的受力性能，总共进行了8次实验，其中4个剖面受到循环轴向载荷，另外4个剖面受到循环平面上的弯曲载荷。结果表明，钢管节点的耗能机理在不同载荷条件下存在显著差异。Yang和Kim[7]研究了全焊接高强度螺栓在循环载荷作用下节点的弯矩和刚度。在这项研究中，三个试件被暴露在循环旋转中，直到发生故障，研究发现，与焊接接头相比，高强度螺栓连接（TSD和DWA）的初始刚度为39%，和4.4%，极限弯矩为28.3%和58.6%。

Drsquo;aniello等人[8]对用于建筑中钢梁弯曲状况分类的标准对整体性能的影响进行了研究。结果表明，旋转能力对加载条件有显著的影响。在他们的研究中，Sharaf和Fam[9]开发了一种非线性有限元分析方法，来研究用内穿墙螺栓加固的矩形空心截面的梁柱t型接头。研究结果表明，通过焊接将螺栓连接到梁壁上，可显著提高延性，并对其强度产生影响。Kımıllı[10]研究了矩形空心截面梁和圆形空心型钢柱连接的结构状况。研究结果发现，在这种类型的接头中，连接端板可以防止梁柱发生变形，并保证接头的刚性。

本研究的目的是研究由圆形空心截面组成的钢框架系统的端板焊接梁柱连接件的延性性能。通过实验和数值研究来确定梁柱连接端板尺寸的相对层漂移角，这一研究成果使该体系能够在2007年的TEC[11]中被识别为具有高延性水平的体系。对实验模型进行数值分析并与实验的结果进行了比较，分析和试验中考虑了构件尺寸、材料特性、弯矩变化、屈曲类型和循环加载次数等影响转动能力的主要因素。本研究是在苏莱曼·德米雷尔的大学钢结构实验室进行的，详细信息可以在参考[12]中找到。

1. 实验装置尺寸 b）实验模型概述

图1所示。实验装置的概述和尺寸。a)实验装置尺寸。b)实验模型概述。

2. 材料和方法

2.1.材料与实验设置

实验模型设计如图1所示。垂直和水平项分别为柱和梁，并进行了全尺寸建模。该项研究的目的是为了确定柱和梁的截面，寻找强柱和弱梁的尺寸条件。圆形空心截面壁厚为5毫米、直径219.1毫米的柱和直径168.3毫米、壁厚4毫米的横梁，柱和梁的长度分别设定为1960毫米和980毫米，型材采用气体金属电弧焊的方法进行组装，焊接厚度为6毫米。

在这项研究中，使用不同尺寸的端板对柱进行连接，来防止柱上可能发生的局部变形，并增加节点刚度。梁和柱是直接进行连接的，没有任何端板对连接件的性能造成影响。以这种方法建立的模型为参考样本，如图2所示。

在本研究中，将加劲板连接到节点的目的是防止柱子上可能发生的局部变形，特别是增加弯曲下的刚度和节点的能力承载。在这项研究中使用了两种不同的端板厚度6毫米和8毫米。所研究的端板尺寸参数如图3所示。Va可以被接受的长度为66毫米，91毫米和116毫米，Vb长度为300毫米、350毫米和400毫米。端板的Ha和Hb长度是根据设计指南[1,2]中规定的要求确定的。Hb为圆柱周长的一半为344毫米，Ha为88毫米。将长度分别为300毫米、350毫米和400毫米的Vb与端板厚度分别为6毫米和8毫米的两个端板相结合，研究了共7个不同的模型，包括6个样本和一个没有端板的参考样本。通过手动泵对试件进行三个周期的加载，分别进行静态增量加载和循环加载。

图2所示。参考试件梁柱连接详图概述。

a)剖视图 b)平面图 c)梁柱连接详图

图3所示。圆截面梁柱连接端板。a)剖视图b)平面图c)梁柱连接详图。

a)数值模型的全貌 b)节点的网格视图

图4所示。利用ANSYS建立数值模型。a)数值模型的全貌。b)节点的网格视图。

图5：beta;和gamma;参数。

2.2. 数值计算模型

实验研究采用ANSYS Workbench v14有限元分析程序进行建模。

表1：研究中使用的模型的无量纲参数。

表2：实验和数值模型的细节。

ANSYS程序具有进行几何非线性和材料非线性分析的能力。将所有的元素(型材，轴承板，焊接)组成的实验样品引入程序拉埃研究非线性材料的性能。在对系统进行数值模拟时，将柱、梁、加载臂和承载板建模为虚拟单元，将端板和焊接建模为实体单元。图4为数值模型的总体图。

1. S-M0(无端板) b）S-M1（300x344x6）

c）S

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